In this study, the Poisson effect on resonant frequency behaviors of the unconstrained piezoelectric patch is investigated. The electromechanical impedance models for the un-bonded patch are derived from the two existing bonded patch models and numerical analysis for a given piezoelectric material is performed. From the analysis, it is found that the Poisson effect is not important as long as the electromechanical impedance model is used to predict the locations of resonant frequencies. However, Poisson effect should be considered when predicting the location of the largest resonant frequency of the patch since the amplitude responses are different with the model used.
This paper investigates the design of a perfect point load actuator based on flat triangular piezoelectric patches. Applying a difference of electric potential between the electrodes of a triangular patch leads to point loads at the tips and distributed moments along the edges of the electrodes. The previously derived analytical expressions of these forces show that they depend on two factors: the width over height (b/l) ratio of the triangle, and the ratio of the in-plane piezoelectric properties ($e_{31}/e_{32}$) of the active layer of the piezoelectric patch. In this paper, it is shown that by a proper choice of b/l and of the piezoelectric properties, the moments can be cancelled, so that if one side of the triangle is clamped, a perfect point load actuation can be achieved. This requires $e_{31}/e_{32}$ to be negative, which imposes the use of interdigitated electrodes instead of continuous ones. The design of two transducers with interdigitated electrodes for perfect point load actuation on a clamped plate is verified with finite element calculations. The first design is based on a full piezoelectric ceramic patch and shows superior actuation performance than the second design based on a piezocomposite patch with a volume fraction of fibres of 86%. The results show that both designs lead to perfect point load actuation while the use of an isotropic PZT patch with continuous electrodes gives significantly different results.
Piezoelectric and dielectric behaviors of a piezoceramic patch adhesively centered on a carbon composite plate are identified using a robust multi-objective optimization procedure. For this purpose, the patch piezoelectric stress coupling and blocked dielectric constants are automatically evaluated for a wide frequency range and for the different identifiable behaviors. Latters' symmetry conditions are coded in the design plans serving for response surface methodology-based sensitivity analysis and meta-modeling. The identified constants result from the measured and computed open-circuit frequencies deviations minimization by a genetic algorithm that uses meta-model estimated frequencies. Present investigations show that the bonded piezoceramic patch has effective three-dimensional (3D) orthotropic piezoelectric and dielectric behaviors. Besides, the sensitivity analysis indicates that four constants, from eight, dominate the 3D orthotropic behavior, and that the analyses can be reduced to the electromechanically coupled modes only; therefore, in this case, and if only the dominated parameters are optimized while the others keep their nominal values, the resulting piezoelectric and dielectric behaviors are found to be transverse-isotropic. These results can help designing piezoceramics smart composites for various applications like noise, vibration, shape, and health control.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.4
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pp.300-307
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2003
This paper presents the multi-mode noise reduction of smart panels of which passive piezoelectric shunt damping is introduced. For the piezoelectric shunt damping, a passive shunt circuit composed of inductors and a load resistor is connected to the piezoelectric patch mounted on the panel structure. An electrical impedance model is introduced for the system based on the measured electrical impedance, and the criteria for maximum energy dissipation at the shunt circuit is used to find the optimal shunt parameters. For multi-mode shunt damping, the shunt circuit is modified by the introduction of a block circuit. Also the optimal location of the piezoelectric patch is studied by finite element analysis in order to cause the maximum admittance from the patch for each mode of the structure. An acoustic test is performed for the panels and a remarkable noise reduction is obtained in multiple modes of the panel structure.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.04b
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pp.116-120
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2004
In this paper, we proposed a method to shift the resonant frequency by applying the electric field to microstrip patch antenna using piezoelectric substrates. We fabricated microstrip patch antenna using Y-cut LiNbO3, Quartz and FR-4 substrates. We designed and simulated the microstrip antennas by Ensemble V 7.0 of the simulation too1. We observed the resonant frequency by DC applied electric field in a microstrip patch antenna. When the electric field was 300 V/mm, the resonant frequency agile of Y-cut LiNbO3 microstrip patch antennas were 29 MHz. When the electric field was 400 V/mm, the frequency agile of X-cut, Y-cut and Z-cut quartz microstrip patch antennas were 55.2 MHz, 34.2 MHz and 28.0 MHz, respectively. However, when the electric field was 400 V/mm, the resonant frequency of FR-4 microstrip patch antenna does not changed. It was shown that the resonant frequency agile of Y-cut and Z-cut quartz microstrip patch antennas are due to piezoelectric phenomenon not to be permittivity.
In this research, we propose an energy harvesting structure with a flexible blade element vibrating at its first mode to maximize the power output of the piezoelectric material. For this purpose, a piezoelectric patch was attached on the blade element used in a small-scale wind turbine, and air load was applied with a suitable angle of attack in the stall zone. The aerodynamic load created by air excitation vibrates the blade element in its first natural frequency and maximizes the voltage output of the piezoelectric patch. The variation of power outputs with respect to electrical resistance, air speed, and extra mass is experimentally investigated for various cases. An analytical model is constituted using a single-mode blade element with piezoelectric patch dynamics, and the power outputs of the obtained model are compared with experimental results.
Active control of solar panels with honeycomb core and carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) facesheets for smart structures using piezoelectric patch sensor and actuator to reduce the amplitude of vibration is a lack of the previous study and it is the novelty of this research. Of active control elements are piezoelectric patches which act as sensors and actuators in many systems. Their low power consumption is worth mentioning. Thus, deriving a simple and efficient model of piezoelectric patch's elastic, electrical, and elastoelectric properties would be of much significance. In the present study, first, to reduce vibrations in composite plates reinforced by carbon nanotubes, motion equations were obtained by the extended rule of mixture. Second, to simulate the equations of the system, up to 36 mode shape vectors were considered so that the stress strain behavior of the panel and extent of displacement are thoroughly evaluated. Then, to have a more acceptable analysis, the effects of external disturbances (Aerodynamic forces) and lumped mass are investigated on the stability of the system. Finally, elastoelectric effects are examined in piezoelectric patches. The results of the present research can be used for micro-vibration suppression in satellites such as solar panels, space telescopes, and interferometers and also to optimize active control panel for various applications.
This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2001.11a
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pp.488-491
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2001
This paper investigated that resonant frequencies of microstrip patch antenna were agile when piezoelectric materials were used as the antenna substrates. The resonant frequencies of the microstrip antenna using the piezoelectric substrate. The microstrip patch antenna made of Quartz substrate was designed and fabricated by Ensemble v 7.0 simulator. The experimental problem was compensated by Ensemble v 7.0
Lee, Chang Joon;Lee, Jun Cheol;Shin, Sung Woo;Kim, Wha Jung
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.12
no.6
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pp.607-614
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2012
In this study, the evolution of the electro-mechanical impedance (EMI) of a piezoelectric (PZT) patch embedded in fresh cement paste was investigated to discuss the possibility of monitoring the setting process of cement-based materials using an EMI sensing technique. A tailored thin square PZT patch was embedded in cement paste before casting, and EMI signatures of the embedded patch were continuously measured from casting up to 12 hours. A standard penetration resistance test was performed to compare and correlate the evolution of EMI during the setting process. The results showed that EMI responses differ according to the age of the cement paste, and that the behavior of the EMI resonance peak has a clear correlation with the penetration resistance of the cement paste. Based on the results, it is concluded that an EMI sensing technique using embedded PZT patch can be effectively applied to monitor the setting process of cement-based materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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